СИЛИКАГЕЛЬ, Его получение, свойства и применение

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ СИЛИКАГЕЛЯ

Силикагель — высушенный гель кремневой кислоты [1] пористого строения с сильно развитой внутренней поверх­ностью. Эта особенность обуславливает ценнейшие свой­ства силикагеля — адсорбента, носителя каталитически активного вещества и катализатора.

С каждым годом он находит все более широкое примене­ние в самых разнообразных отраслях народного хозяй­ства. Ввиду гидрофильных свойств поверхности силикагеля его часто используют для осушки воздуха [1—4], угле­кислого газа, водорода, кислорода, азота, хлора и других промышленных газов [4, 5].

Способность силикагеля поглощать значительные ко­личества воды существенна также для осушки различных жидкостей, в особенности в том случае, когда обезвоживае­мая жидкость плохо растворяет воду. Например, сушка галогенированных жидкостей типа фреона [4]. Силика - гели служат также осушителями при консервации обору­дования для предохранения его от коррозии.

Наряду с водой силикагель хорошо сорбирует пары многих органических веществ. Этим его свойством поль­зуются для улавливания (рекуперации) паров ценных органических растворителей — бензина, бензола, эфира, ацетона и т. п. из воздуха, бензола из газовых коксо­вых печей и бензина из природных газов [1—5].

Свойство силикагеля поглощать многие вещества из жидкой фазы используют в промышленной очистке различ­ных масел, при обессеривании нефтяных погонов и удале­нии из нефти высокополимерных смолистых веществ 13-5].

С помощью геля кремневой кислоты проводится хрома- тографическое разделение и анализ смесей, что основано на избирательности адсорбционного действия силикагеля по отношению к веществам различной химической природы.

Так, на силикагеле количественно выделяют аромати­ческие, а также непредельные углеводороды из их смесей с парафинами и нафтенами [4, 6—8]. Этим методом широ­ко пользуются в исследованиях химического состава бен­зинов [7, 9]. Хроматография с помощью силикагеля дала возможность разрешить проблему очистки индивидуальных углеводородов различного строения, потребность в кото­рых становится весьма насущной для химических и физи­ческих исследований и в особенности для спектроскопии. К наиболее трудным видам очистки относятся: удаление следов воды и примесей углеводородов, освобождение аро­матических углеводородов от примесей парафинов и наф - тенов, а также разделение смесей некоторых изомерных углеводородов. Образцы нафтеновых и парафиновых угле­водородов, очищенные с помощью хроматографии на сили­кагеле, могут быть предназначены для определения физи­ческих констант и спектральных исследований [7].

В фармацевтической промышленности хроматография на силикагеле применяется для концентрирования и вы­деления антибиотиков из культуральной жидкости [4].

Силикагель катализирует многие химические реакции. Ксерогель кремневой кислоты обнаруживает значительную каталитическую активность в тех случаях, когда реакция сопровождается образованием или потреблением воды, на­пример в реакциях этерификации, превращения аромати­ческих галоидпроизводных в соответствующие фенолы 14, 10—13] и т. д. В то же время он является распростра­ненным катализатором многих других химических процес­сов, таких как полимеризация, конденсация, окисление, восстановление органических веществ и др. [14].

Силикагель является одним из распространенных носи­телей катализаторов и служит компонентом многих слож­ных контактов. Он используется как носитель самых раз­личных каталитически активных веществ — металлов Pt, Pd, Ni и др., окислов, кислот, оснований —для про­цессов окисления, гидратации, гидрирования, полимери­зации, конденсации и многих других реакций [13].

В последнее время силикагели широко используются как иониты для разделения радиоактивных изотопов, очистки промышленных сточных вод от ионов различных металлов и средств медицинской помощи при интоксикации радиоактивными веществами [15].

Приведенные примеры, далеко не охватывающие всех

Областей практического применения силикагеля, характе­ризуют лишь главные направления, на которых особенно четко проявляются его свойства. Интерес к силикагелю Связан с сочетанием в нем ряда ценных качеств: высокой адсорбционной способности, избирательности адсорбцион­ного действия, способности подвергаться многократной регенерации без потери адсорбционной активности, отно­сительно большой прочности зерен, термостойкости, воз­можности получения его в гранулированном и порошко­образном состоянии и др.

Важнейшим преимуществом силикагеля по сравнению с природными пористыми материалами (пемза, асбест) является возможность изменения его структуры в процес­се формирования. Это обстоятельство является особенно важным потому, что степень и характер пористости сили­кагеля обусловливают эффективность его применения в различных процессах. При данной пористой структуре адсорбционная активность определяется концентрацией адсорбируемого вещества и размером его молекул.

Для хроматографического разделения веществ выбор величины удельной поверхности и размеров пор зависит от свойств разделяемых молекул: для низших углеводо­родов нужна большая поверхность и более узкие поры, для высших—низкая поверхность и широкие поры. . Хорошее разделение неполярных газов, которые адсор­бируются в основном благодаря неспецифическим дитер - сионным взаимодействиям, достигается в случае тонко­пористых силикагелей со средним диаметром пор не более 20А. Для разделения легких углеводородов при­годны силикагели диаметром пор от 50 до 200А. Силика - гели, у которых средний размер пор больше 500А, мож­но использовать для газохроматографического разделе­ния жидких смесей, в частности углеводородов. Макро­пористые силикагели с низкой удельной поверхностью Могут найти широкое применение как носители непо­движных жидких и твердых фаз в газовой хроматогра­фии, в катализе, при адсорбции высокомолекулярных соединений и полимеров из растворов [16].

Особые требования к пористой структуре силикагеля предъявляются при использовании его носителем катали­затора [12]. Для реакций, протекающих с большой ско­ростью, необходимы силикагели-носители с развитой удель­ной поверхностью и большим объемом транспортных пор

(бидисперсной структуры). Для сравнительно медлен­ных процессов необходимы силикагели однороднопорис - тые. Для получения активных катализаторов реакций по­лимеризации необходимы силикагели-носители с нежест­кой структурой и т. д.

Наилучшие результаты в качестве катализатора при низкой температуре дает силикагель с порами малых раз­меров (с наибольшей внутренней поверхностью). При высоких температурах выгодна смешанная структура катализатора, у которого наряду с большой удельной по­верхностью имеется достаточное количество крупных пор [11, 12, 17, 181.

Таким образом, эффективность процессов адсорбции и катализа зависит от рационального выбора пористой структуры силикагеля. Последняя, в свою очередь, опреде­ляется условиями его приготовления 119, 201. В связи с этим чрезвычайно важно знать влияние различных фак­торов на пористую структуру силикагелей.

Геометрическая структура силикагеля не является единственным фактором, определяющим его адсорбцион­ную активность. При этом важную роль играет химиче­ская природа его поверхности. Последнюю можно варьи­ровать термической дегидратацией, проведением на по­верхности силикагеля самых различных реакций, дающих новые соединения. К таким реакциям относятся алкокси- лирование, хлорирование, взаимодействие поверхности силикагеля с алкил - и арилхлорсиланами и т. д.

Придание силикагелю специфичности в отношении адсорбции тех или иных веществ значительно расширяет области его применения. В связи с этим перспективным является химическое модифицирование силикагелей ор­ганическими радикалами с различными функциональны­ми группами. Замещение поверхностных гидроксилов си­ликагелей радикалами с кислыми или основными свой­ствами приводит к созданию новых специфических адсорбентов, ненабухающих ионообменников и катализа­торов кислотно-основиых реакций.